工程认证背景下自动化类专业创新实践教学研究

林旭梅，唐 旭，朱文杰，田艳兵，赵瑞艳

（青岛理工大学信息与控制工程学院 山东 青岛 266500）

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度，也是提高工科教学质量的重要基础[1]。工程认证以学生为中心、产出为导向和持续改进为核心理念[2]。工程教育的正确实施和精准改革对产业升级和优化产生重要作用。根据产业发展的要求，亟须发展新工科，加快对传统工科专业的重塑升级，为新经济发展提供人才支持[3]。结合工程教育专业认证的核心理念和新工科发展的重要性，如何通过有效途径提高学生的创新能力和解决实际问题的能力成为“机器人学”“自动控制理论”等教学中的关键问题。

本文结合青岛理工大学（以下简称“我校”）培养学生的总体目标，针对“机器人学”“自动控制理论”课程进行实践教学研究，优化传统的教学模式，对不同基础的学生进行分阶段特色培养，加强实践性教学环节，以具体的项目案例来推进基础教学、案例教学、项目课等实践创新一体化教学改革，培养学生的动手操作能力，在实践操作中加深对知识的学习和理解，提升创新意识。

根据不同学生的情况，给学生安排数字课堂网络学习、小组讨论学习以及实际案例创新学习，分阶段开展递进式学习。实践教学通过案例式、项目课的深入理论分析、仿真到实物不同阶段的过渡，教学过程以社会需求为导向，结合专业自身的特点，构建理论知识与工程需求相结合的课程体系，培养学生的学习能力、创新能力、工程应用能力，促进学生养成科学规范的操作习惯和严谨的科研态度。

1 教学现状

机器人一般定义为“机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器，它既可以接受人类的指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动”[4]。“机器人学”课程以“线性代数”“矩阵理论”“自动控制原理”“传感器与检测技术”“计算机控制”“机械原理”等为先修课程，是涉及自动控制、传感器技术、计算机技术、电子技术、人工智能、机械工程等多学科交叉的课程。“机器人学”课程将自动化、计算机、机械等多个学科融合，要求学生具备扎实的数理基础，尤其是矩阵论、三角函数、微积分方程等相关方面的知识，一定的电子设计知识。在学习理论知识的同时，还要基于实际工程案例增强学生的动手能力，不仅切合创新型人才培养的理念，也符合高校培养计划的要求。

目前“机器人学”“自动控制理论”等课程教学存在的主要问题有：在分配教学目标时，没有针对学生不同的基础学习情况进行教学任务的分配；在实践教学部分，有时仅带领学生参观实验室中的套件实验机器人和做部分与机器人相关的验证实验。为解决以上问题，应针对性地增加以下实践教学内容：

①理论教学部分的公式推导过程较为枯燥，使得学习基础较弱的学生在面对“机器人学”课程时，缺少积极性、探索性，不利于教学进度的推进，应增加理论仿真教学案例。

②实践教学过程只参观实验室的套件实验机器人和做部分与机器人相关的验证实验，学生获得感少。应安排学生到工厂学习、了解实际生产过程，学习不同功能机器人的技术细节，增强学生解决实际问题的能力和创新能力，了解机器人前沿发展。

③实践教学缺少真实的机器人应用背景教学，应通过参观货物搬用机器人、快递派送机器人等技术较为成熟的机器人，提升学生学习的积极性，同时加强学生对机器人应用能力的理解。

④学生在实践教学过程中缺少动手设计体验，难以将理论与实践相融合，应鼓励学生参与科研课题项目的设计和研发。

2 实践教学改革体系设计

2.1 机器人控制系统的特点

机器人控制系统涉及多种传感器的信号采集、控制器的信号处理和执行机构的信号输出。根据机器人完成的任务，选用不同功能传感器、控制器对传感器采集的信号进行处理，通过执行机构完成设定任务。其中，视觉采用OPENMV 处理的方式，其原理为通过物体特征提取、识别图像[5]；触觉传感器采用基于触觉压力的传感器；力矩传感器可完成对各种旋转物体力矩的检测；执行机构由舵机和减速电机组成。

2.2 机器人等自动化实践教学设计方案

以工程教育专业认证的核心理念和新工科发展为中心，进一步巩固学生所学的基础知识并增强其动手实践能力、创新能力，设计实践教学的具体方案如图1 所示。减少教师理论授课学时，增加实践案例和项目课，并提供个性化和多样化的实践案例给学生选择，拓展学生的创新思维、提高其实践能力；结合市场需求变化，与企业合作开展相关课程，培养与时俱进、适应时代发展的人才；增加综合性、设计性的实验案例，激发学生的学习兴趣。在硬件设计方面，利用3D 打印技术设计实践案例教学中需要的零部件（如：无人车的轮子，四旋翼无人机的机翼等）。在完成实践案例时，提供无人车、无人机等先进的教学平台，使学生在了解当前机器人发展现状的同时，提升学生的创新能力和实践能力。

图1 实践教学培养设计方案

2.3 以学生为中心开展实践教学

工程教育专业认证的核心理念是“以学生为中心”，针对学习基础不同的学生开展有针对性的教学模式，确保基础情况不同的学生能够积极参与到机器人等实际系统的学习中，做到以学生为中心，激发学生的学习动力。新形式的教学模式更符合多层次学生的学习需求，有针对性地分配学习任务，能够最大限度地提升学生的学习积极性，递进性的学习过程能确保学生完成每阶段的学习任务。具体措施如下：

①本着以学生为中心的原则，考虑到基础薄弱的学生在学习过程中可能会因为“听不懂”而失去学习的兴趣，可增加数字课堂的环节，学生可以自主安排基础课程的网上学习时间，帮助学生弥补自身基础知识的不足。“机器人学”“自动控制理论”相比于其他学科，具有学科交融性强的特点，想要掌握好机器人学，还要学习动力学、运动学、微积分等学科；另外“机器人学”等涉及的基础学科也很广泛，要对传感器的不同类型和性能进行学习了解，为机器人的设计和操作打下坚实的基础。

②针对基础较好的学生，组建讨论学习小组。在讨论过程中查漏补缺，巩固已学的知识内容，交流心得体会，为下一阶段的项目案例分析打下扎实基础。基于机器人学学科交融性强的特点，实施小组学习策略能让学生在探讨的过程中及时发现问题，也能提高对某一知识点的理解和掌握。

③面对基础扎实的学生，可布置实际项目案例分析学习，让学生在项目中发现问题、解决问题，在实践中把所学到的理论知识融会贯通，培养学生的探索精神、创新能力和实践能力。

2.4 坚持以产出为导向搭建实践教学平台

随着人工智能技术的深化和社会发展的需求，采用机器人配送快递、外卖等成为当下的新趋势，快递派送机器人符合当下“无接触配送”的要求，该机器人的软硬件搭建适合动手实践学习。快递派送机器人设计主要包括：派送机器人的主体、储物箱的搭建和互联网云平台通讯设计。设计中控制系统的硬件模块主要包括：主控模块、避障模块、驱动模块以及无线通信模块等部分。该机器人使用的主控模块可用STM 32 系列单片机，避障传感器可选用超声波或激光等，在项目教学中实施“知行耦合”，引导学生将理论知识与实际案例融合，搭建机器人的基础模块，并预留接口方便功能扩展，提高学生的创新能力和探索精神。具体的实践教学内容如下：由GPS、超声波传感器、OPENMV图像处理来采集运送过程中的位置信息和小车距离障碍物的距离值，并将位置、距离等传感信息输入控制器；根据控制算法计算的结果，由电机、舵机等组成的执行机构来进行障碍物躲避等动作。

3 结语

结合学生在不同学习阶段的不同需要，做到统筹兼顾、全面发展。改变以往教学过程中单一的教学模式，开展多样化的教学模式，符合工程教育专业认证的核心理念“持续改进”，在研究过程中不断优化教学内容。改变教学方法、增加项目课等综合性实践教学案例，通过不断改进的教学内容，结合线上线下资源，让学生“忙起来”；同时在知识传递中注重育人教育、增强学生的民族自豪感和职业奋斗精神，培养爱国敬业、使命担当的情怀。